Исследования стационарных режимов в нейросетевых системах

Третьяков, Сергей Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследования стационарных режимов в нейросетевых системах
ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследования стационарных режимов в нейросетевых системах"

На правах рукописи

ТРЕТЬЯКОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ В НЕЙРОСЕТЕВЫХ СИСТЕМАХ

03.01.02 - биофизика (физико-математические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 МАЙ 2012

Сургут - 2012

005044943

Работа выполнена в НИИ Биофизики и медицинской кибернетики I. ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийско: автономного округа - Югры»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор ЕСЬКОВ Валерий Матвеевич

ЯХНО Владимир Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт прикладной физики РАН, заведующий лабораторией автоволновых процессов

УСТИМЕНКО Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, ЗАО «Газпром межрегионгаз север», отдел информационных технологий телекоммуникаций и связи, инженер программист первой категории

ФГБОУ ВПО "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"

Защита состоится «07» июня 2012г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.02 при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» по адресу: 628400, г. Сургут, пр. Ленина, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» по адресу : 628400, г. Сургут, пр. Ленина, 1

Автореферат разослан «05 » мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

_ Майстренко Елена

Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Теория устойчивости сложных динамических истем, к которым относятся различные биологические динамические системы БДС),' является одним из наиболее сложных и крайне важных разделов ¡иофизики сложных систем, а также соответствующих разделов математики, ,бщей биологии. Респираторные нейронные сети (РНС) относятся к классу ложных БДС, т.к. могут находиться в различных динамических режимах стационарные режимы, переходные, режимы автоколебаний и, наконец,

:аотические режимы).

Для медицины и биологии наибольший интерес представляют устойчивые режимы (приближенно стационарные), т.к. они соответствуют нормальным физиологическим режимам работы дыхательного центра (ДЦ) и обеспечивают гомеостаз всего организма любого представителя млекопитающих. В основе теории идентификации устойчивости РНС лежит метод анализа динамических характеристик изучаемых объектов. Знание динамических характеристик исследуемых нейросетей (НС) дает возможность решать задачи управления такими сетями, даже в случаях отсутствия полного математического описания объекта. Поэтому идентификация интервалов устойчивости нейронных сетей ДЦ как сложных БДС, представляет собой весьма актуальную задачу как в математическом плане, так и с позиций биофизики сложных систем и общей

теории систем (в аспекте гомеостаза).

Методы быстрой аппроксимации моделей могли бы значительно сократить время изучения РНС, автоматизировать сложный биофизический эксперимент с РНС. Такой подход имеет принципиальное отличие от широко распространенных традиционных априорных методов построения моделей БДС. Вместе с тем он требует разработки эффективного математического программного обеспечения не только для построения адекватных моделей, но и для их сравнительного анализа и выбора оптимальных параметров управляющих стимулов. Более того, очень часто БДС (и РНС в частности) под действиями условий среды обитания может изменять структуру связей и режимы, что требует быстрых методов идентификации моделей и интервалов устойчивости биосистем, т.е. автоматизации процесса идентификации моделей.

На сегодняшний день существует несколько подходов в решении подобных задач, один из которых основывается на компартментно-кластерной теории биосистем (ККТБ) и компартментно-кластерном подходе (КПП) в исследовании нейросетей мозга млекопитающих (Еськов В.М., Филатова O.E.

1996-2012). Именно в рамках КПП возникает возможность решения проблемы идентификации стационарных режимов функционирования РНС в остром эксперименте. В качестве объекта исследования в настоящей работе были выбраны биологические динамические системы на примере респираторных нейронных сетей дыхательного центра млекопитающих в рамках нового

разрабатываемого метода на базе ЭВМ и ККП.

Цель диссертационной работы состоит в разработке теоретических основ метода идентификации стационарных режимов РНС и на его основе выполнение идентификации оптимальных интервалов устойчивости реальных нейронных сетей дыхательного центра млекопитающих.

Эта цель может быть достигнута решением следующих задач:

1 Теоретическое сравнение существующих методов идентификации стационарных режимов БДС, используемых в биофизике сложных систем и обоснование невозможности их применения к варьирующим в фазовом пространстве состояний системам типа РНС.

2 Обоснование, аналитическое и численное (компьютерное) исследование стационарных режимов моделей РНС в рамках компартментно-кластерного математического моделирования нейронных сетей, описывающих идеальный (формализованный) биологический объект.

3 Разработка метода идентификации стационарных режимов компартментных моделей РНС в рамках ККП, создание программного продукта.

4. Апробация и внедрение метода и программного продукта для идентификации оптимальных интервалов устойчивости нейронных систем в

реальном эксперименте.

Научная новизна. Выполнено аналитическое и компьютерное исследование устойчивости компартментных моделей РНС. Впервые разработаны и апробированы алгоритмы идентификации стационарных режимо: математических моделей РНС в рамках общего компартментно-кластерног. подхода. Предложена новая теория идентификации интервалов устоичивост: стационарных режимов путем анализа собственных значений матриц А описывающих внутрисистемные связи. Представлены конкретные пример! реализации теоретических подходов. Данный подход существенно отличается о традиционных методов определения стационарных режимов, в частное™ базирующихся на теории устойчивости A.M. Ляпунова. Разработаны программ! для ЭВМ, обеспечивающие идентификацию стационарных режимо функционирования реальных нейросетей. Выполнено сравнение теоретически (модельных) данных с данными биофизического эксперимента.

Научно-практическая ценность. Разработанные и запатентованны алгоритмы и программы ЭВМ для идентификации стационарных режимов оптимальных интервалов устойчивости БДС используются для оценки характер влияния факторов среды на функциональные системы организма млекопитающи в условиях севера РФ. Такие методики могут найти применение при оценк тяжести патологических изменений в организме и человека в связи с развитие! заболевания или оценки, например, действия фармпрепаратов на животное ил

еловека при возникновении различных патологических режимов (апнезис, аспинг дыхание Чейн-Стокса и т. д.)-

3 внедрение результатов исследований. Разрабоханнь. программь, ,етоды идентификации интервалов устойчивости внедрены в !ГУЛ[НИИ Новых медицинских технологий (г. Тула), НИИ физиологии им. И.П ГЬшиРАН ■ -янкт - Петербург) НИИ Теоретической и экпериментальнои биофизики НАН (Г. lyio), Самарском государственном педагогическом Университете и Сургутском государственном университете, а также в ряде других вузов ХМАО -Огры и школах округа при обследованиях учащихся, а также в лекционных курсах и практических занятиях по биофизике, экологии человека и медицинскои

кибернетике, о чем свидетельствуют акты о внедрении.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на кафедральных и факультетских семинарах Сургутского университета; на международной научной конференции Astes de MS 2004 (Лео* Франция 2004 г.), на международной научной конференции Modeling & Satton" - ICMS'04 (Испания, 2004 г.); на международной научной конференции international Biophysics Congress (France, 2005); на щучнои конференции с международным участием "Датчики и преобразователи информации систем измерения" (Гурзуф, 2004); на 1 съезде Физиологов СНГ (Дагомыс, 2005); на Всероссийской „аучно-практическои конференции «Современные аспекты клинической физиологии в медицине» (Самара 2008).

Личный вклад автора заключается в исследовании современного состояния проблемы, в обработке экспериментальных данных, анализе и синтезе математических моделей' респираторных нейросетей ^хательного центр млекопитающих, находящихся под действием физических возмущающих Воздействий или в квазистационарных состояниях, разработке алгоритмов и профамм идентификации интервалов устойчивости стационарных режимов в

бИ°СИ Публикации. Основные положения диссертации отражены в 15 печатных оаботах в том числе 3 работы в рекомендуемых ВАК изданиях, 4 работы в зарубежных изданиях, ^запатентованная программа, 1 учебное пособие. Их перечень приведен в конце автореферата.

Д иссерта ция ^излом^е на °на ^П^Г стран и цах машинописного текста и состоит из «Введения»; главы «Особенности организации и функционирования БДС в рамках детерминистического, стохастического и синергетического походов» Гы «Объект и методы исследования»; главы «Стационарные режимы РНС в рамках ККП и новые методы их исследования»; заключения; выводы; список

сокращений и литературы.

Положения, выносимые на защиту.

1 Метод идентификации интервалов устойчивости стационарных режимов в биосистемах на базе анализа матриц А и их собственных значении целесообр^но применять для мониторинга состояния организма человека в условиях влияния различных метеофакторов Севера РФ.

2. Физические факторы воздействия могут существенно изменять интервалы устойчивости стационарных режимов РНС, что необходимо учитывать при оценке степени жизнедеятельности экспериментальных животных или при оценке степени влияния экофакторов среды на организм человека.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование разработанной теории идентификации интервалов устойчивости нейросетевых систем дыхательного центра млекопитающих целесообразно применять для других динамических биосистем с непрерывными вариативными режимами функционирования.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается экспериментальными данными, которые количественно обрабатывались с использованием автоматизированной системы идентификации интервалов устойчивости стационарных режимов БДС.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, необходимость разработки новых методов и моделей для идентификации стационарных режимов и управляющих воздействий на БДС в реальном масштабе времени и микроинтервалах. Такой подход существенно отличается от традиционных и позволяет наблюдать структурные и параметрические изменения в РНС в ходе электрофизиологических экспериментов или биомониторинга функциональных систем человека.

В первой главе дается понятие динамических систем (ДС), которые используются в технических системах, указанны цели и задачи работы Представлены основные режимы поведения ДС и БДС, раскрывают" особенности функционирования биологических динамических систем с позиции трех, существующих на сегодняшний день, подходов в естествознании детерминистском, стохастическом и синергетическом подходах.

Современный подход в исследовании в устойчивости технических ^ физических систем, а также систем автоматического управления (САУ основывается, в частности, на теории, которая была разработана А.М Ляпуновым. В рамках теории Ляпунова (ТЛ) все динамические системь подразделяют на линейные и нелинейные системы (ЛС и НЛС). Для ЛС можнс сразу говорить об устойчивости их в большом, т.к. они могут быть либс устойчивыми, либо неустойчивыми. Известно, что устойчивая ЛС описываете) обыкновенными дифференциальными уравнениями (ДУ). При этом дл) устойчивости необходимо и достаточно выполнения требования отрицательное™ действительных частей всех корней характеристического уравнения систем ДУ описывающих ЛС. Для такого анализа разработаны процедуры (критерии) Рауса 1 Гурвица или Найквиста и Михайлова.

Основным критерием оценки устойчивости нелинейных систем является е( реакции на возмущающие ее воздействия. Если при достаточно малы: возмущающих воздействиях ДС возвращается в исходное состояние (в точк; покоя), то мы можем говорить об устойчивости НЛС. В рамках такого подхода ! ТЛ изучается невозмущенное и возмущенное движения. При этом возникающи!

отклонения (по самым различным причинам) начальных условий ДС (они называются возмущениями) приводят к возмущенным движениям вектора состояния х = х(1) в фазовом /и-мерном пространстве состояний. Если после возмущения ДС возвращается в исходное состояние, то состояние устойчивое. Наоборот, если при ограниченных возмущениях ДС не возвращается в исходное состояние (все больше уходит от точки покоя в фазовом пространстве), то ДС не устойчива.

При изучении биологических динамических систем (БДС) мы имеем ряд особенностей, которые связаны с особенностями динамики их поведения и сложной структурой их организации. Последняя может постоянно меняться, и это является, пожалуй, самой большой особенностью БДС в сравнение с классическими объектами в физике и технике. В частности, БДС могут менять не только свои функции (например, изменяться соотношение между входом и выходом системы), но также может изменяться структура биосистемы, характер внутренних связей и даже иерархичность (соподчиненность в теории доминанты). БДС может постоянно флуктуировать по структуре и функциям. Пребывание изначально неравновесных (по базовым свойствам) БДС в состояниях относительно (в биологическом смысле) устойчивого равновесия (будем его называть квазиаттракторным состоянием) - это основное свойство нейросетей мозга (НСМ), функциональных систем организма (ФСО), популяций и биосферы в целом, что может быть обусловлено принципами их самоорганизации или телеологическими принципами их организации (смерть, как конечная цель БДС, например).

Согласно теории Ляпунова (в рамках классического подхода) основной задачей при идентификации ММ является определение параметров модели, поскольку именно параметры системы (и параметры ее модели) могут обуславливать ее устойчивость или неустойчивость. Таким образом, для классического подхода важно идентифицировать не столько модель (она феноменологически уже определена), сколько ее параметры. Для БДС ситуация иная. В разработанном нами подходе для идентификации ММ используется "черный ящик". Считаем, что все свойства и структурные связи БДС неизвестны, при этом исследуются соотношения между ее входом и выходом и по ответам (получаемым марковским параметрам у!) БДС с помощью метода минимальной реализации (ММР), метода адаптивного наблюдателя (МАН) или другим каким-либо методом находится адекватная ММ. При этом сами эти модели и даже размерности фазового пространства состояний могут изменяться непрерывно.

В качестве выходной функции у(1) в общем случае может быть: интегральная активность эфферентных нервов, некоторые биомеханические величины для мышц (смещение от положения равновесия), показатели кардио-респираторной функциональной системы организма, например, процент оксигемоглобина (ПО) и т.д. во всех этих случаях важно установить соотношение между величиной входного сигнала (вектором Ви) и выходной функцией У = У( О-

В главе объект и методы исследований дается краткая характеристик биологических сигналов (электрических по своей природе), которые определяю входные величины (иЛ) для РНС и выходные величины (уО)). В качеств последних выступает биоэлектрическая активность мембранных нервов и мыпп. которая регистрировалась усилителями биопотенциалов (электромиограф фирм! 01Ба или УБП-02) с набором фильтров и магнитных регистраторов типа МН-1С После минутной записи сигнал (аналоговый) оцифровывался и вводился в ЭВМ виде дискретных наборов (цифр), которые обрабатывались по специальны! авторским программам. В простейшем случае с помощью интеграторов Б/ нервов или мышц представлялась интегрированной кривой.

В главе 3 «Стационарные режимы РНС в рамках ККП и новые метод! их исследования» рассматривается основное отличие новых методо идентификации СР БДС от традиционных и широко используемых в биологии медицине. Производятся сравнения с экспериментом.

Особенностью компартментной организации РНС является целый ря, принципов (постулатов).

1. Иерархическая структура РНС.

2. Пуловая или компартментная организация НС ДЦ, обеспечивающа высокую надежность в работе РНС.

3. Существование межкомпартментных связей преимущественна возбуждающего характера (задаются матрицей А в моделях РНС).

4. Существование диссипации возбуждения в работе РНС (оцениваете вектором Ьх в моделях РНС).

5. Наличие обратных связей по типу пресинаптических торможени (обратные связи вентильного типа, определяются функцией Р(у) в моделях РНС).

6. Существование внешних управляющих воздействий - управляющи драйвов (задаются вектором исI в моделях РНС).

С учетом приведенных постулатов простейшая компартментная модел РНС будет иметь вид:

* = £ ацР] (у)Ху - Ьх, +11(1,

ы\

(/ = 1 .../и,/ = ./')

где т - общее число компартментов, ЙГу - весовой коэффициент влияния /-того компартмента на /-тый, Р/у) - тормозная связь, (отрицательная обратная связь), Ь - коэффициент диссипации, и - внешнее воздействие, ^ - чувствительность /го компартмента к внешнему воздействию, с, - весовые коэффициенты.

Для т = 5 нами была рассчитана обратная матрица А 1 и получены общем виде решения пятикомпартментной модели РНС, которые были

дальнейшем идентифицированы в биофизических экспериментах на реальных нейронных сетях дыхательного центра экспериментальных животных (кошки).

Рассмотрено теоретически поведение пятикомпартментной модели с подциклом (т=5) в окрестности стационарной точки. Граф такой РНС с учетом приведенных предположений примет вид, представленный на рис. 1.

Модель (1) для т=5 принимает вид

*і = апРі (У)х2 + апРз (у)хъ ~ Ьх, + исі, х2 = х, - Ьх2 + ийг

х3 = х2 - Ьхз + нс/3 х4 = х}- Ьх, + исіА х5 = х4 - Ьхь + исіь

(3)

у = с X

Был рассмотрен случай, когда ап = ап = а|4 = а|5 = 1.

Стационарная точка математической модели респираторной нейронной ети с подциклами должна удовлетворять уравнению

О = Ах0 + ий = сТх0

Матрица А. ддЯ случая (т-5) имела следующий вид: '-Ъ 1 1 1 1 1 -А О О О А= 0 1-6 0 0 0 0 1-60 ООО 1-6 Решение этой системы запишется следующим образом: х0 = -А~хий

Определитель матрицы А имеет вид:

1-6

Была получена обратная матрица А ддЯ случая Ьф 1 в виде:

(4)

(5)

А = ■

1-6

66-65-6" + 1

При Ъ = 1, т=5

ь4 1-64 б3

1-6 1 -ь 1-6

ь3 ь< 1-63 б2

1-6 1-6

ь1 ь3 62(62-1) 6(62-1) 6

ь ь2 6(62-1) 6(63-6-1) 1

1 ь 62-1 63-6-1 64-62-

/Г'=

1 О 1 О

1 О -1 -2

Определены компоненты вектора Хо. Изучено влияние велич и і коэффициента затухания Ъ и величины хеморецепторного драйва (І на значен вектора Хо, которые имеют конкретный биологический смысл.

Для случая Ь= 1 наиболее интересными в биологическом смыс рассматривались три значения й\

<4 =

"Г "0" "Г

0 0 1

0 .4 = 0 ,¿2 = 1

0 0 1

о 1 1

(

Соответствующие значения стационарной точки имеют вид:

0 3

"Г " 1 " "и"

і 1 8

і 1 м 1 2 И J 5

і 1 2

і 2 -1

Для с10 при и > 0 все компоненты стационарной точки отрицательн

Предположение и < 0 вряд ли реализуется при нормальной работе РН

Полученное значение можно трактовать как гиперполяризацию нейронов вс

нейронных пулов, что соответствует глубокому торможению РНС (в опытах N получали при гипервентиляции, приводящих к апноэ). Выполнялось сравнение экспериментом.

11(1 !

11(12

и(13

Ый 4

ий5

><ь-

р*(у)

Хі

Л 2

X і

Х4

Рис. 1 Пятикомпартментная модель РНС с подциклами, ссоответствующая модели (3).

Для ¿/| (хеморецепторный драйв действует только на пятый компартмент) только нейроны последнего 5-го компартмента будут находиться в состоянии покоя (если и > 0), а остальные гиперполяризованы.

Наконец, третий крайний случай для сі2 (хеморецепторный драйв действует на все пять компартментов одинаково) показывает что, нейроны последнего пятого компартмента будут находится в активном состоянии а остальные гиперполяризованы.

Следовательно, все компартменты при и> О находятся в гиперполяризованном состоянии. Таким образом случай 6=1 в биологическом плане не очень интересен.

Анализ более общих представлений (случай Ьф\) позволяет получить большое разнообразие активности РНС, начиная от бифуркации рождения циклов и до хаотических режимов.

Для рассмотренных вариантов хеморецепторного драйва (7) получили в

общем виде:

Х„° = -и/(Ь)

V" ¿з "б4 + 463 + 362 + 26 + 1

б3 ь2 + г>3 + 2б2 + 26+1

б2 ь \1=-и/{ь) ¿И + 263

6 1 1 у-ь2-ь-\ 64+63 - 6 + 1 б4 + б3 - 2

где

Ль)-

при Ъф 1, и /(ь) = -

при Ъ - 1.

¿'-65 -64 +1 ' " ' - ьъ-Ъ3-Ъг-Ъ-1

На рис. 2 показано поведение функции /(б) в зависимости от величины коэффициента диссипации Ъ. Найден интервал положительного и отрицательного значения функции /(б) [О, Ь') и (Ь\ оо) соответственно. Точка разрыва приближенно равна 6'« 1.534.

4.5 5

Рис. 2. Поведение функции /(¿>) в зависимости от величины коэффициента диссипации Ъ. При Ъ > Ь' (Ь' »1.534) стационарные точки

модели (3) положительны. В этом случае система (3) может описывать модель форсированного дыхания.

Таким образом, при условии 0<6<1, в активном состоянии будут

компартменты Хд5 и Хд5, а при 1 <Ь<Ь' активным будет только компартмент

Хд5. Для случая Ъ' < Ь < со в активном состоянии будут все компартменты.

Ненулевые значения координат особых точек, очевидно, реализуются биологически в виде активности РНС. В последнем случае система (3) может описывать модель форсированного дыхания.

Все БДС находятся в непрерывном движении. Это движение связано не просто с движением координат конца вектора состояния X в фазовом /я-мерном пространстве. Характер движения биосистем таков, что само фазовое пространство (его размерность) может претерпевать изменения. При таких изменениях меняется порядок модели, и мониторинговые системы должны в автоматическом режиме постоянно контролировать и динамику изменения вектора X, и его размерность.

Исходя из таких биологических свойств БДС, возникает другой алгоритм идентификации устойчивости биосистем. Во-первых, исследуется возможность линейного приближения ММ, которая идентифицируется по выходу БДС, т.е. по марковским параметрам _у( в ответ на стандартные воздействия (электростимулы,

например). В рамках разработанного подхода устойчивость БДС приобретает несколько другой, биологический смысл. Устойчивость биосистем теперь понимается как ширина (диапазон) интервалов параметров внешних воздействий (амплитуд или длительностей сигналов, величины энергии воздействий, концентраций раздражающих или токсических веществ), в пределах которых матрицы А (идентифицируемых ММ) и их собственные значения не претерпевают существенных изменений, или эти изменения подчиняются определенным правилам, которые представлены ниже.

Такая трактовка имеет вполне определенный, строгий смысл в области математики и физики, т.к. количественно определяются величины интервалов (пределов) внешних задающих воздействий. Действительно, параметры внешних возмущающих воздействий имеют конкретный физический (иногда химический -в виде концентрации токсичного вещества) смысл. Математический же подход вполне алгоритмизируем, и легко такая процедура может быть автоматизирована с помощью ЭВМ, но по другому сценарию.

Исследования устойчивости БДС с помощью ММ и ЭВМ производятся теперь уже по другой схеме в сравнении с классическим подходом. Для этого, как и в классике, реально задается возмущение (при этом изменяются параметры внешних (электрических, механических, химических) возмущающих воздействий), но теперь исследуются не линеаризованные и возмущенные феноменологически построенные системы уравнений, а сами получаемые по

ответам от БДС (марковским параметрам у,) математические модели, например,

в виде систем разностных уравнений вида:

x(t +1) = Ax{t) + Bu(t) (9)

y(t) = Crx(t).

Для этого, путем постепенного изменения амплитуды или длительности внешних воздействий, исследуются получаемые в результате анализа ответов по определенным программам матрицы А и их собственные значения. Причем, если при увеличении или уменьшении длительности или амплитуды (энергии Е) воздействия не изменяются существенно инварианты матрицы А , то мы считаем, что БДС не претерпевает существенных изменений. По нашим наблюдениям респираторные нейросети (работая в квазипериодическом режиме дыхательной активности) находятся все-таки вблизи некоторого аттрактора. Однако на этот хаотический режим накладывается система регуляции (обратных связей), которая поддерживает некоторую флуктуацию периодического режима. Некоторые внешние воздействия могут увести РНС далеко от притягивающего множества в глубокий хаос, и возникают непериодические режимы (например, гаспинг). Такие непериодические режимы и могут быть представлены хаотическими режимами РНС, как пример БДС. Это реальность для РНС, например, которая может говорить о суперпозиции цикла Пуанкаре с хаотическим режимом работы РНС.

Существенно выполнение двух условий:

1 .Погрешность измерений (идентификации) матрицы А, ее собственных значений Л/, и вектора В и С должна уложиться в пределы г = 5-10%от величины выходного сигнала у = y(t) (это требование минимизации погрешности).

2. Порядок т идентифицируемого вектора состоянийх (и матрицы А) не должен превышать число 7 (требование минимизации порядка фазового пространства).

Поскольку два указанных метода на практике приводят к взаимно противоположным эффектам (уменьшение г приводит к возрастанию т и наоборот), то всегда для таких систем существует некоторое оптимальное значение гит, для которых и определяется адекватная ММ БДС.

В отличие от классического подхода теперь мы будем анализировать устойчивость порядка матрицы А (вектора х и размерности т фазового пространства), а также собственных значений матрицы А. Именно инварианты матрицы теперь будут определять динамику БДС в ответ на внешние воздействия или внутренние перестройки самой биосистемы, которые (как показали наши исследования) могут постоянно происходить с любой БДС.

Таким образом, разработана новая автоматизированная с помощью ЭВМ процедура, которая позволяет определять интервалы устойчивости БДС как за счет изменения параметров внешних сигналов, так и за счет дребезга величин выходных сигналов, т.е. марковских параметров, исследуемых БДС.

Существенно, что выбор оптимальных параметров устойчивости БДС совпадает с процедурой выбора оптимальных параметров воздействующих внешних стимулов. Продемонстрируем эту процедуру для экспериментов с изучением устойчивости респираторных нейронных сетей дыхательного центра млекопитающих.

Мы предлагаем решение указанных задач в рамках модели РНС вида (1), параметры которой могут быть идентифицированы методом минимальных реализаций.

Важным свойством этого алгоритма является возможность при увеличении наблюдаемого промежутка времени Т выходной величины РНС не искать всю модель заново, а лишь достраивать ее в случае необходимости. Указанная процедура производится в точке положения равновесия системы (9).

Сам метод минимальной реализации сводился к отысканию тройки матриц 2=(А,В,С), удовлетворяющих равенству (10), причем Ъ являлось реализацией последовательности {/?,}, а число N -ее размерностью:

у(1) = САмВ, 1 = 1,2,... (10)

где: А е В!"" , В е Л"*1 , С е Я1х" (при / = 1,Ы ,), а р,- последовательность марковских параметров (выходных значений эфферентных нервов для РНС).

Согласно ММР, при частичной минимальной реализации

последовательности, состоящей из к марковских параметров , размерность т системы линейного приближения будет определяться соотношением 2т + 1 = к . Тогда минимальная продолжительность Г регистрации ответа БДС, например, РНС на предъявляемый стимул длительностью т связана неравенством Т > (2т + 1)г • Следовательно, ограничение на величину т задается в виде:

(11)

2ш + \

При использовании ММР длительность входного воздействия т будет равняться шагу счета разностной модели (9), т.е. периоду дискретизации времени при регистрации ответа РНС или моделей других БДС.

Однако, оценка допустимого интервала Г е [гт|п, гтах ] - это более

сложная задача. Наш критерий оценки указанного интервала и оптимального значения г основан на следующем алгоритме. Если при изменении г , например,

путем перехода от г,, т2 математические модели исследуемых БДС, например, РНС не претерпевают значительных изменений, т.е. нет существенных изменений в динамике поведения исследуемых РНС, то считается, что Г2 находится внутри

искомого интервала, т.е. г2 е [гт|П ,гтах ].

При классическом подходе для сравнения состояния системы при разных воздействиях обычно анализируют нормы матриц А модели и, если вариация нормы не превышает некоторую величину, то считают, что динамическая система прибывает приблизительно в том же состоянии. Наши экспериментальные данные

показали обратное. Даже простые БДС могут существенно изменять свою структуру (например, менялся порядок модели т для РНС в ходе нейрофизиологического эксперимента) без существенного изменения нормы матрицы. Вследствие этого нами предлагается в качестве показателя состояния использовать такие инварианты системы как собственные числа получаемой в результате эксперимента матрицы А при одинаковом порядке т .

Пусть в результате эксперимента при длительности входного импульса г, была получена матрица А1, а при длительности входного импульса тч = ,

где 9 = 2,3получена матрица Ад. Обозначим собственные значения

матрицы А, через Я, , а собственные значения А - А\,...Ат ■ Тогда, если

среди Л, и А, попарно найдутся с точностью до перенумерации такие значения, что

то считаем, что сравниваемые линейные модели идентичны.

Из (11) и (12) следует процедура нахождения верхней границы интервала, когда исследования производятся в рамках одной и той же линейной модели РНС при кратком изменении длительности входного стимула. Для выбранного определенного значения т, удовлетворяющего неравенству (11), производится идентификация методом ММР матрицы А и находятся ее собственные значения АД/ = \,...,т). Затем, последовательно увеличивая ^ на единицу и проводя

новую идентификацию, находим А, (/ = \,...,т) и такое значение для

которого уже не будет выполняться с точностью до перенумерации равенство (12). В результате найденное значение Гтах = (#* — 1)г будет являться верхней

границей длительности входного стимула, когда действует одна и та же математическая модель, а, следовательно, и состояние системы остается неизменным. Найденное значение Гтах также характеризует нижнюю границу

частоты внешнего электрического стимула /т{п = 1 / гтах.

Важным элементом при выборе допустимого интервала длительности стимула является нижняя граница ВУВ - гт|п . С одной стороны эту границу

необходимо знать для задания оптимального Т , с другой стороны значение гт(п , фактически, определяет период квантования сигнала при использовании АЦП. Мы предлагаем следующее решение этой задачи. Пусть некоторым образом, например, согласно (11), задается исходная величина т, стимула. По результатам экспериментальной идентификации определяется матрица Ах модели вида (9) имеет собственные значения Я1,...,Лт. Тогда можно выбрать некоторое

(12)

фиксированное ^ < 1 (для удобства ^ = 1) и последовательно возрастающие

/> 1 (например, / = 2,3,.../ ), такие, что образуется последовательность д// убывающих элементов, меньших 1. Определяя новую длительность г, = ((}Т\)// стимула и выполняя идентификацию, получаем новую матрицу Ах

и соответствующие ей собственные числа Л\,...,Л„,. Тогда, если среди Л.(. и

Л/ попарно найдутся с точностью до перенумерации такие значения, что

ч_ _

(Л,.)' =Я/, где 1 = 1,...,т, (13)

то будем считать, что в рамках данного приближения сравниваемые линейные модели идентичны. Последовательно увеличивая / и получая новые

Л\,...,Лт , можно найти некоторое граничное значение / , для которого уже не будет выполняться с точностью до перенумерации равенство (13). Это значение / и определит нижнюю границу рабочего интервала длительностей стимула Гт1|] = —1). Соответственно может быть определена верхняя граница

частоты внешнего электрического стимула /тах = 1 / гт1П.

Нужно отметить, что для проверки (13) существует необходимость извлечения корня / -го порядка из А1 (при <7 = 1), что приводит к получению / матриц и такого же числа наборов собственных значений. В этом случае ЭВМ по разработанной программе производит перебор максимум / наборов собственных значений, останавливаясь в этой процедуре при не выполнении (13).

Зная границы допустимого и интервала длительностей стимула

Г е [гшга ' Гтах ] > можно ОПредеЛИТЬ ОПТИМЭЛЬНуЮ ВеЛИЧИНу ДЛИТеЛЬНОСТИ

стимула г как

из соображений возможности сдвига границ указанного промежутка при функционировании РНС.

При идентификации компартментной структуры инспираторной нейронной сети - ИНС кошки выполнялось условие (12). Собственные значения матрицы А удовлетворяли условиям теоремы Фробениуса-Перрона, а при кратном изменении длительности раздражающих импульсов выполнялись условия (12) и (13) приблизительной неизменности собственных значений матрицы А .

В острых экспериментах по идентификации математических моделей экспираторных нейронных сетей - ЭНС при кратном изменении длительности

стимула тч =дт{,т1 =5мсек, а = 2,3,4 мы получали возрастающую

последовательность перроновых корней:

\ = 1,55;^ = 2,44; Лз = 3,70; Л4 = 5,35,

удовлетворяющих условию (12), что говорит об относительно неизменном состоянии исследуемой динамической системы.

В таблице 1 указаны (в условных единицах) значения марковских параметров для разных вариантов длительностей раздражающего стимула (случай ЭНС и их интегральных выходов).

Таблица 1

Марковские параметры для различных длительностей стимула (в условных единицах) ________

У, У\ У 2 У* У4 Уь Л У 7 У 8 Уэ

т = 5 мсек 0,8 5,89 8,2 8,6 5,8 3,4 1,2 1,1 1,0

г = 10 мсек 1,0 4,36 6,0 10,3 7,5 5,0 2 1,0 0,5

х = 15 мсек 2,0 6,45 8,5 8,15 9,3 9,0 8,2 7,9 0,1

т = Юмсек 1,0 5,0 9,2 9,3 9,1 9 4,1 0,5 0,1

При идентификации ЭНС методом минимальной реализации для 1-5 мсек

с =

"0,8' '7,36 -43,96 0 0 0

0 1 -5,89 0,06 0 0

0 0 1 -1,44 -1,40 0

0 0 0 1 1,04 -0,12

0 0 0 0 1 1,68

Собственные значения матрицы А , удовлетворяющие условиям теоремы Фрабениуса-Перрона: 1,55; 0,97; 0,57±0,63 /; -0,91.

Для случая 1=10 мсек получено следующее системное представление линейной модели:

с =

"Г "4,36 -13,01 0 0 0 "

0 1 -3,14 0,7 0 0

0 а = 0 1 0 -1,87 0

0 0 0 1 -0,37 0

0 0 0 0 1 2,44

Собственные значения матрицы А, удовлетворяющие условиям теоремы Фрабениуса-Перрона: 2,44; 0,68; 0,39±0,49/; -0,6.

Применяя ММР для варианта 1=15 мсек мы получаем следующий вид системных матриц:

с =

"2" "3,22 -6,15 0 0 0

0 1 -1,74 -0,02 0 0

0 а = 0 1 -1,09 -1,76 0

0 0 0 1 -0,21 14,65

0 0 0 0 1 0,42 _

Собственные значения матрицы А , удовлетворяющие условиям теоремы Фрабениуса-Перрона: 3,77; 0,94; 0,51; -1,3; -3,31.

В последнем случае, при ¡=20мсек, численные значения матриц были

следующими:

Г "5 -15,8 0 0 0

0 1 -2,68 -0,61 0 0

С = 0 а = 0 1 -1,26 -0,50 0

0 0 0 1 -0,39 -0,21

0 0 0 0 1 5,38

Собственные значения матрицы Ап, удовлетворяющие условиям теоремы Фрабениуса-Перрона: 5,35; 0,90±0,4 /; -0,55±0,96 /.

Таким образом, используя алгоритмы отыскания гтш и Гтах мы определяем

оптимальные значения г, которые обеспечивают нам сходящуюся процедуру построения математической модели РНС и дают возможность судить о структурной устойчивости по отношению к внешнему стимулу длительностью Г .

Разработана процедура (алгоритмы, программные продукты и теория) метода отыскания интервалов устойчивости РНС, которая может быть применена для любых биологических динамических систем, к которым относятся не только РНС но и ФСО, например, сейчас это используется для оценки состояния организма беременных женщин при гестозах или больных сахарным диабетом 2-го типа иногда эти заболевания были сочетанными. В целом, представленные здесь методы идентификации интервалов устойчивости БДС уже сейчас находят применение при отыскании интервалов устойчивости функциональных систем организма (ФСО) человека к различным экологическим факторам среды, а также

популяций и экосистем к внешним условиям.

Важно подчеркнуть универсальность метода анализа отклика БДС и анализа интегральных марковских параметров на внешние предъявляемые раздражители (возмущения).

Основные результаты и выводы.

1 Использование традиционной схемы "феномен - модель - повторный феномен в сравнении с моделью" дает слабый результат применительно к постоянно варьирующим динамическим респираторным неиросетям, т.е. нейросети мозга являются объектом теории хаоса и синергетики.

2 Аналитическое и численное (компьютерное) исследование стационарных режимов пятикомпартментных математических моделей нейронных сетей показало возможность описания биологических объектов как в режимах покоя,

так и в режимах автоколебаний при наличии внешних постоянных драйвов. Определены граничные условия для возникновения бифуркации рождения

ЦИКЛ°3 Разработан метод автоматизированной идентификации стационарных режимов и интервалов устойчивости реальных РНС в рамках компартментного подхода что существенно отличается от традиционных методов исследования в рамках детерминистского подхода (например, метода A.M. Ляпунова)

4 Получено согласование модельных данных с реальными биологическими наблюдениями в пределах допустимой погрешности 5-10% для РНС, находящихся в стационарных режимах в пределах идентифицированных интервалов устойчивости нейросетей. За этими пределами наблюдаются точки катастроф, приводящих к резкому изменению размерности фазового пространства

математических моделей РНС.

По теме диссертации опубликовано 24 научные работы в том числе.

1. Патенты, свидетельства о государственной регистрации программ

для ЭВМ. ш С А пр0Грамма: Идентификация параметров порядка

(наиболее значимых диагностических признаков) вектора состояния биосистем в m-мерном фазовом пространстве. / В.М. Еськов, М.Я. Брагинскии, A.C. АниЬоиев А А Глущук, С.А. Третьяков // Свидетельство о официальной р е" жлр а ц и и Ciporp а м м ыдл я ЭВМ >20076,47,4 РОСПАТЕНТ. - Москва, 2007

2. Монографии:

1 Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине: Монография. - Часть V. Системный анализ и управление гомеостазом организма и биологических динамических систем в целом в аспекте компартментно-кластерного подхода / под ред. В.М. Еськова. А.А.Хадарцева. -Самара: ООО «Офорт» (гриф РАН), 2005.-200 с.

3. Учебные пособия

1 Третьяков С.А. Системная экология. Часть 2. (стохастическии и синергический подходы) / В.М. Еськов, М.А. Филатов, С.А. Третьяков // Учебное пособие для студентов биологических факультетов университетов по выполнению лабораторно-практических работ (специализация Биоэкология ). / Под ред. В.М. Еськова Самара - Сургут: ООО "Офорт", 2007. - 91 с.

2 В журналах, рекомендуемых ВАК РФ и зарубежные публикации:

1 Третьяков С.А. Интеллектуальные экспертные системы для идентификации синергизма в биологических динамических системах / В.М Еськов, В.А. Папшев, Ю.М. Попов, C.B. Кулаев, С.А. Третьяков, A.C. Пашнин h Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (1T+S&E'05), Приложение к журналу "Открытое образование . - 2UU5. - с. /.

2 Третьяков С А Разработка новых методов идентификации параметры порядка - основная задача современного системного синтеза и синергетики i целом / В.М. Еськов, O.E. Филатова, С.А. Третьяков // Вестник новы> медицинских технологий. - 2007. - T. XIV, № 1 - С. 193-196.

3.Третьяков С.А. Медико-биологическая трактовка понятия стационарных режимов биологических динамических систем / А.С. Ануфриев, В.М. Еськов, А.Г. Назин, В. Полухин, С.А. Третьяков, К.А. Хадарцев // Вестник новых медицинских технологий. - 2008 - Т. XV, № 1 - С. 29-32.

4.Tretiakov S.A. The determination of synergetic property of respiratory neuron network with computer using / O.E. Filatova, V.M. Eskov, S.V. Kulaev, U.M. Popov,

A.S. Pashnin, S.A. Tretiakov // Proceedings International conference on modellling&simulation (ICMS'04). Spain, Vallodolid -2004, P.59-60.

5.Tretiakov S.A. The existence of formal criteria of synergetic property of neuron networks as an example of biological dynamic system. / V.M. Eskov, S.V. Kulaev, U.M. Popov, S.A. Tretiakov // Proceedings of (Astes de) MS'2004, Lyon - Villeurbanne, 2004.-P. 13.9-13.12.

6. Tretiakov S.A. The synergetic property of mamalian muscles under different conditions. / V.M. Eskov, V.A. Papshev, S.A. Tretiakov, E.A. Rachkovskii // Proceedings of (Astes de) MS'2004, Lyon - Villeurbanne, 2004- P. 14.4-14.6.

7.Tretiakov S.A. Theory of fazaton brain and method of identification of its models. / V.M. Eskov, T.V. Zuevskaya, I.U. Dobrinina, M.A. Filatov, S.A. Tretiakov // Proceeding of international Biophysics Congress (Montpelier - France). - 2005. - P. 84-86.

4. Опубликованные статьи в других научных журналах и сборниках:

1.Третьяков С.А. Идентификация устойчивости биологических динамических систем с помощью информационно-измерительного комплекса. /

B.М. Еськов, С.А. Третьяков, Е.А. Рачковский // Материалы международной конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения". М.:МГИЭМ, 2004. - С. 272-274

2.Третьяков С.А. Информационно-измерительная система для идентификации синергизма в нейронных сетях. / В.М. Еськов, О.Е. Филатова,

C.В. Кулаев, Ю.М. Попов, С.А. Третьяков // Материалы международной конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения". М.:МГИЭМ, 2004. - С. 274-276.

3.Третьяков С.А. Норма и патология состояния Функциональных систем человека на фазовой плоскости. / О.Е. Филатова, В.М. Еськов, Т.В. Зуевская, И.Ю. Добрынина, М.А. Филатов, С.А. Третьяков // Научные труды I съезда физиологов СНГ (Дагомыс).- 2005. - С. 41.

4.Третьяков С.А. Идентификация синергизма и интервалов устойчивости в респираторных нейросетях. / О.А. Ведясова, В.М. Еськов, А.С. Пашнин, Ю.М. Попов, С.А. Третьяков // Нейронауки, Донецк. - 2005. -Т.1, №1. -С.16- 17.

5.Третьяков С.А. Новые подходы в оценке стационарных режимов биологических динамических систем / В.М. Еськов, А.С. Ануфриев, А.А. Глущук, А.С. Пашнин, С.А. Третьяков // Сборник научных трудов. Естественные науки / Сургут, гос. ун-т. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2009

Список сокращений:

БДС - биологическая динамическая система

ДЦ - дыхательный центр

ду _ дифференциальные уравнения

ИНС - инспираторная нейронная сеть

ККТБ- компартментно-кластерная теория биосистем

КПП - компартментно-кластерный подход

ЛС - линейные системы

МАИ - метод адаптивного наблюдателя

ММ - математическая модель

ММР - метод минимальной реализации

НЛС - нелинейные системы

НС - нейронная сеть

ПО - процент оксигемоглобина

РНС - респираторная нейронная сеть

САУ - система автоматического управления

СР - стационарный режим

ТЛ - теория Ляпунова

ФСО - функциональные системы организма ЭВМ - электронно-вычислительная машина ЭНС - экспираторная нейронная сеть

Формат 60x84/16. Объем 1,5 уч.-изд.л. Тираж 60 экз. Заказ № 175. спечатано на ризографе в полиграфическом отделе СурГУ, 628400, г. Сургут 1. Лермонтова, 5. ' '

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Третьяков, Сергей Анатольевич

Введение

1. Особенности организации и функционирования БДС в рамках 8 детерминистического, стохастического и синергетического похода.

1.1. ДСП и ТХС в сравнительном аспекте при изучении БДС.

1.2. Классическая теория устойчивости ДС и ее ограничения при 21 изучении БДС.

2. Объект и методы исследования.

3. Стационарные режимы РНС в рамках ККП и новые методы их 71 исследования.

3.1. Изучение СР в рамках компартментных моделей РНС.

3.2. Обоснование и разработка нового метода изучения 90 интервалов устойчивости РНС, находящихся в биологическом квазистационарном режиме.

3.3. Апробация моделей и методов в эксперименте. Новые 94 данные о флуктуационном поведении РНС, находящихся в квазистационарном состоянии.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследования стационарных режимов в нейросетевых системах"

Теория устойчивости сложных динамических систем, к которым относятся различные биологические динамические системы (БДС), является одним из наиболее сложных и крайне важных разделов общей теории систем, в том числе соответствующих разделов математики, биофизики сложных систем. Респираторные нейронные сети (РНС) относятся к классу сложных БДС и могут находиться в различных динамических режимах (стационарные режимы, переходные, режимы автоколебаний и, наконец, хаотические режимы). Для медицины и биологии наибольший интерес представляют устойчивые режимы (приближенно стационарные), т.к. они соответствуют нормальным физиологическим режимам работы дыхательного центра (ДЦ) млекопитающих. В основе теории идентификации устойчивости РНС лежит метод анализа динамических характеристик изучаемых объектов. Знание динамических характеристик исследуемых нейросетей (НС) дает возможность решать задачи управления такими сетями, даже в случаях отсутствия полного математического описания объекта. Поэтому идентификация интервалов устойчивости нейронных сетей ДЦ как сложных БДС, представляет собой весьма актуальную задачу, как в математическом плане, так и с позиций биофизики сложных систем и общей теории систем (в аспекте гомеостаза).

В этой связи назрела острая необходимость в разработке новых подходов в решении такого рода задач и особенно, если априорные модели РНС отсутствуют. В последнем случае идентификация РНС с простой или иерархической организацией требует построения адекватных моделей, для которых можно выбирать оптимальные интервалы управляющих воздействий (в условиях электрической или механической стимуляции). Дальнейший анализ параметров математических моделей синхронно связан с процессами изменения (структуры и параметров) самого исследуемого динамического объекта. Методы быстрой аппроксимации моделей могли бы значительно сократить время изучения РНС, автоматизировать сложный биофизический эксперимент с РНС. Такой подход имеет принципиальное отличие от широко распространенных традиционных априорных методов построения моделей БДС. Вместе с тем появляется необходимость в разработке эффективного математического программного обеспечения для построения адекватных моделей и для их сравнительного анализа и выбора оптимальных параметров управляющих стимулов. Более того, очень часто БДС (и РНС в частности) под действиями условий среды обитания может изменять структуру связей и режимы, что требует быстрых методов идентификации моделей и интервалов устойчивости биосистем, т.е. автоматизации процесса идентификации моделей.

На сегодняшний день существует несколько подходов в решении подобных задач, один из которых основывается на базе компартментно-кластерной теории биосистем (ККТБ) и компартментно-кластерного подхода (КГ1Г1) (Еськов В.М., Филатова O.E. 1996-2012). Именно в рамках КПП возникает возможность решения проблемы идентификации режимов функционирования РНС в остром эксперименте. В качестве объекта исследования были выбраны биологические динамические системы на примере респираторных нейронных сетей дыхательного центра млекопитающих в рамках нового разрабатываемого метода на базе ЭВМ и ККП.

Эта цель может быть достигнута решением следующих задач:

1. Теоретическое сравнение существующих методов идентификации стационарных режимов БДС, используемых в биофизике сложных систем и обоснование невозможности их применения к варьирующим системам типа РНС.

2. Обоснование, аналитическое и численное (компьютерное) исследование стационарных режимов моделей РНС в рамках компартментно-кластерного математического моделирования нейронных сетей, описывающих идеальный (формализованный) биологический объект.

3. Разработка метода идентификации стационарных режимов компартментных моделей РНС в рамках ККП, создание программного продукта.

4. Апробация и внедрение метода и программного продукта для идентификации оптимальных интервалов устойчивости нейронных систем в реальном эксперименте.

Научная новизна. Выполнено аналитическое и компьютерное исследование устойчивости компартментных моделей РНС. Впервые разработаны и апробированы алгоритмы идентификации стационарных режимов математических моделей РНС в рамках общего компартментно-кластерного подхода. Предложена новая теория идентификации интервалов устойчивости стационарных режимов путем анализа собственных значений матриц А, описывающих внутрисистемные связи. Представлены конкретные примеры реализации теоретических подходов. Данный подход существенно отличается от традиционных методов определения стационарных режимов, в частности, базирующихся на теории устойчивости A.M. Ляпунова. Разработаны программы для ЭВМ, обеспечивающие идентификацию стационарных режимов функционирования реальных нейросетей. Выполнено сравнение теоретических (модельных) данных с данными биофизического эксперимента.

Научно-практическая ценность. Разработанные и запатентованные алгоритмы и программы ЭВМ для идентификации стационарных режимов и оптимальных интервалов устойчивости БДС используются для оценки характера влияния факторов среды на функциональные системы организма млекопитающих в условиях севера РФ. Такие методики могут найти применение при оценке тяжести патологических изменений в организме и человека в связи с развитием заболевания или оценки, например, действия фармпрепаратов на животное или человека при возникновении различных патологических режимов (апнезис, гаспинг, дыхание Чейн-Стокса и т. д.).

Внедрение результатов исследований. Разработанные программы и методы идентификации интервалов устойчивости внедрены в ГУП НИИ Новых медицинских технологий (г. Тула), НИИ физиологии им. И.П. Павлова РАН (г. Санкт - Петербург), НИИ Теоретической и экпериментальной биофизики РАН (г. Пущино), Самарском государственном педагогическом университете и Сургутском государственном университете, а также в ряде других вузов ХМАО - Югры и школах округа при обследованиях учащихся, а также в лекционных курсах и практических занятиях по биофизике, экологии человека и медицинской кибернетике.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на кафедральных и факультетских семинарах Сургутского государственного университета; на международной научной конференции Astes de MS'2004 (Леон, Франция, 2004 г.), на международной научной конференции "Modeling & simulation" - ICMS'04 (Испания, 2004 г.); на международной научной конференции International Biophysics Congress (France, 2005); на научной конференции с международным участием "Датчики и преобразователи информации систем измерения" (Гурзуф, 2004); на I съезде физиологов СНГ (Дагомыс, 2005); на Всероссийской научно-практической конференции «Современные аспекты клинической физиологии в медицине» (Самара, 2008).

Личный вклад автора заключается в исследовании современного состояния проблемы, в обработке экспериментальных данных, анализе и синтезе математических моделей респираторных нейросетей дыхательного центра млекопитающих, находящихся под действием физических возмущающих воздействий или в квазистационарных состояниях, разработке алгоритмов и программ идентификации интервалов устойчивости стационарных режимов в биосистемах.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 15 печатных работах, в том числе 3 работы в рекомендуемых ВАК изданиях, 4 работы в зарубежных изданиях, 1 запатентованная программа, 1 учебное пособие. Их перечень приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста и состоит из «Введения»; главы «Особенности организации и функционирования БДС в рамках детерминистического, стохастического и синергетического походов»; главы «Объект и методы исследования»; главы «Стационарные режимы РНС в рамках ККП и новые методы их исследования»; выводы; список сокращений и литературы.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод идентификации интервалов устойчивости стационарных режимов в биосистемах на базе анализа матриц А и их собственных значений целесообразно применять для мониторинга состояния организма человека в условиях влияния различных метеофакторов Севера РФ.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Третьяков, Сергей Анатольевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Применение к биологическим динамическим системам классических процедур определения стационарных режимов и интервалов их устойчивости дает слабый результат в связи с существенными различиями в функционировании биологических динамических систем и физических динамических систем.

2. Аналитическое исследование стационарных режимов пятикомпартментных математических моделей нейронных сетей показало возможность описания биологических объектов, как в режимах покоя, так и в режимах автоколебаний при наличии внешних постоянных драйвов. Определены граничные условия для возникновения бифуркаций рождения циклов.

3. Разработан метод автоматизированной идентификации стационарных режимов и интервалов устойчивости реальных РНС в рамках компаргментного подхода.

4. Разработанная математическая процедура определения диапазона допустимых длительностей входного стимулирующего сигнала, хорошо согласуется с реальными биологическими наблюдениями в пределах допустимой погрешности 5-10% для РНС, находящихся в стационарных режимах в пределах идентифицированных интервалов устойчивости нейросетей.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Третьяков, Сергей Анатольевич, Сургут

1. Александров A.A., Нгуен Ван У. Влияние ГАМК и фенибута на нейронную активность коры и потенциалы корешков спинного мозга. //Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова. 1977. - Том. 63. № 11. - С. 11011109

2. Анохин П.К. Кибернетика функциональных систем. М., Медицина, 1998. -285 с.

3. Анищенко B.C. Сложные колебания в простых системах. М.: Наука, 1990.

4. Аршинов В.И., Буданов В.Г. Синергетика наблюдения как познавательный процесс. // Философия, наука, цивилизация. М.: 1999. -С. 231-255.

5. Аршинов В.И., Войцехович В.Э. Синергетическое знание: между сетью и принципами // Синергетическая парадигма. М.: Процесс-Традиция, 2000. - С. 107-120.

6. Ахромеева Т.С., Малинецкий Г.Г. О странном аттракторе в одной задаче синергетики. // Вычислительная математика и математическая физика. -1987. -Т.27,№2. С. 202-217.

7. Оптимальные совместные оценивание и идентификация в дискретных линейных системах

8. Ахромеева Т.С., Малинецкий Г.Г. Периодические режимы в нелинейных диссипативных системах вблизи точки бифуркации. // Вычислительная математика и математическая физика. 1985. - Т.25, № 9. - С. 1314-1326.

9. Бакусов Л.М., Сафин Ш.М., Насыров Р.В. Компартментные модели нейронных механизмов усвоения закономерностей на основе теории самообучающихся рекурсивных фильтров // Вестник новых медицинских технологий. 2002. №3. С.72 75.

10. Горбань А.Н. Алгоритмы и программы быстрого обучения нейронных сетей.//Эволюционное моделирование и кинетика. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1992. - 36-39 с.

11. Баутин H.H. Поведение динамических систем вблизи границ области устойчивости. М.: Наука, 1984,- 260 с.

12. Бейли Н. Математика в биологии и медицине. М.: Мир, 1970. - С. 202223.

13. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Наука, 1969. 280 с.

14. Бреслав И.С. Актуальные проблемы познания центральных механизмов регуляции дыхания // Там же. 1990. Т. 76. №5. С. 561-570.

15. Бреслав И.С., Исаев Г.Г. Состояние и перспективы изучения механизмов регуляции дыхания // Физиол. журнал. СССР им. И.М. Сеченова. 1985. Т. 71. №3. С. 283.

16. Ведясова O.A., Еськов В.М., Пашнин A.C. и др. Идентификация синергизма и интервалов устойчивости в респираторных нейросетях. // Нейронауки, Донецк. 2005. - Т. 1, №1.- С. 16 - 17.

17. Гропп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979. - 395 с.

18. Ведясова O.A., Еськов В.М., Филатова O.E. Системный компартментно -кластерный анализ механизмов устойчивости дыхательной ритмики млекопитающих. / Монография, Самара 2005, Офорт (гриф РАН). - 198 с.

19. Дунин-Барковский В.А. Колебания уровня активности в простой замкнутой цепи нейронов. //Биофизика. 1970. Том. 15. № 2. - С. 374-378

20. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984. 230 с.

21. Галушкин А.И. Нейрокомпьютеры. Кн. 3: Учеб. пособие для вузов. / Общая ред. А.И. Галушкина. М.: ИПРЖР, 2000. - 528 с.

22. Галушкин А.И., Кирсанова Э.Ю. Нейронные системы памяти. М.: Изд-во МАИ, 1991. 177 с. (ч. 1.). 166 с. (ч.2.).

23. Глебовский В.Д., Бреслав И.С. Регуляция дыхания. Л.:Наука, Ленингр. отд-ние, 1981. 280 с.

24. Горбань А.Н. Обучение нейронных сетей. М.: Параграф, 1990. 160 с.

25. Горбань А.Н., Россиев Д.А. Нейронные сети на персональном компьютере. Новосибирск.: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996.-276 с.

26. Дубов П.Л., Корольков Д.В., Петраковский В.П. Кластеры и матрично-изолированные кластерные сверхструктуры, Изд-во С.-Петербуржского Ун-та, 1995, 256 с.

27. Дунин-Барковский В.А. Колебания уровня активности в простой замкнутой цепи нейронов // Биофизика. 1970. Т. 15. вып. 2. С. 374-378.

28. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. -М.: Мир, 1971.- 398 с.

29. Ершов C.B., Малинецкий Г.Г. О решении обратной задачи для уравнения Перрона-Фробениуса. // Вычислительная математика и математическая физика. 1988. - Т.28, № 10. - С. 1491-1497.

30. Еськов В.М., Филатова O.E., Кузьмичев С.А. Проблема самоорганизации в нейронных сетях дыхательного центра // Материалы Всесоюз. Конфер. "Синергетика 86". Кишинев: Штиинца. 1986. С. 142 143.

31. Еськов В.М., Филатова O.E. Стимулятор дыхания. A.c. СССР № 1820516. Москва. 1990.

32. Еськов В.М., Филатова O.E., Горев Е.С. Способ регуляции частоты дыхания в эксперименте. A.c. № 1754124. Москва. 1990.

33. Еськов В.М., Филатова O.E., Горев Е.С. Устройство для разрушения локальных структур организма. A.c. СССР № 1826196. Москва. 1990.

34. Еськов В.М., Филатова O.E., Якунин В.Е. Способ восстановления дыхания у экспериментальных животных. A.c. СССР № 1794457. Москва. 1990.

35. Еськов В.М., Филатова O.E., Якунин В.Е. Способ моделирования одышки. A.c. СССР № 1720083. Москва. 1990.

36. Еськов В.М., Филатова O.E., Якунин В.Е. Способ регуляции дыхания. A.c. СССР № 1745268. Москва. 1990.

37. Еськов В.М. Частотные характеристики датчиков и проблема идентификации линейных моделей // Измерительная техника. 1993. №8. С. 11-13.

38. Еськов В.М., Филатова O.E. Роль тормозных процессов в генерации дыхательной ритмики//Нейрофизиология. 1993. №6. С. 420-426.

39. Еськов В.М. Автоматическая идентификация дифференциальных уравнений, моделирующих нейронные сети // Измерительная техника. 1994. №3. С. 66-68.

40. Еськов В.М. Введение в компартментную теорию респираторных нейронных сетей. Монография, Москва. Наука, 1994, 164 с.

41. Еськов В.М., Филатова O.E. Компьютерная диагностика компартментности динамических систем // Измерительная техника. 1994. №1. С. 65-68.

42. Еськов В.М. Измерительный комплекс для контроля и управления дыханием животных // Измерительная техника. № 5. 1995. С. 54-56.

43. Еськов В.М., Филатова O.E. Компьютерная идентификация респираторных нейронных сетей. Монография, ОНТИРАН, Пущино. 1994. 84 с.

44. Еськов В.М., Филатова O.E., Иващенко В.П. Компьютерная идентификация иерархических компартментных нейронных сетей // Измерительная техника. 1994. №8. С. 67-72.

45. Еськов В.М. Сканирование движущихся поверхностей биологических объектов // Измерительная техника. № 4. 1995. С.54-56.

46. Еськов В.М., Филатова O.E., Папшев В.А. Разрушение и раздражение локальных структур организма с использованием переменных магнитных полей // Вестник новых медицинских технологий. 1996. № 3. С. 106 107.

47. Еськов В.М., Филатова O.E., Папшев В.А., Козлов А.П. Измерение переменных параметров движущихся биологических объектов // Измерительная техника. 1996. № 4. С. 58-61.

48. Еськов В.М., Филатова O.E., Папшев В.А. Сканирование движущихся поверхностей биологических объектов // Измерительная техника. 1996. № 5. С. 66-67.

49. Еськов В.М., Филатова O.E., Попов Ю.М. Пуловые принципы в математическом моделировании динамики распространения биопотенциалов в нейросетевых системах мозга. // Вестник новых медицинских технологий. 1996. № 3. С. 104 106.

50. Еськов В.М., Филатова O.E. Биофизический мониторинг исследованиях действия ГАМК и ее производных на нейросетевые системы продолговатого мозга. / Монография. Пущино: ОНТИ РАН. 1997. - 160 с.

51. Еськов В.М., Филатова O.E. Двухканальный стимулятор дыхания // Вестник новых медицинских технологий. 1997. - № 2. - С. 104 - 106.

52. Еськов В.M. Динамика тормозящих и возбуждающих процессов в респираторных нейронных сетях // "Физиология висцеральных систем". Сборник н.т. Самара. 1998. С.190-202.

53. Кедер-Степанова И.А., Четаев А.Н. Некоторые вопросы моделирования дыхательного центра. 1. Постановка вопроса. //Биофизика. 1978. Том. 23. № 6. - С. 1076-1080

54. Кедер-Степанова И.А. Нейронная организация ритмических дыхательных движений //XIII съезд Всесоюз. физиол. общества им. И.П.Павлова. 1979: Алма-Ата. С. 133

55. Бондарева В.В., Есков В.М., Кулаев C.B., Филатова О.Е. Понятие стационарных режимов функционирования нейронных сетей мозга в микро- и макроинтервалах времени. // XXVI международная конференция "IT +SE" 99- Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 1999. С. 96-97.

56. Еськов В.М., Филатова О.Е. Компартментный подход при моделировании нейронных сетей. Роль тормозных и возбуждающих процессов // Биофизика. 1999. том 44. вып.З. С. 518 525.

57. Кирсанов Э. Цифровые нейрокомпьютеры. Архитектура и схемотехника. -Казань.: Казанский гос. техн. ун-т, 1995. 131 с.

58. Еськов В.М., Кулаев C.B. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2000610600 "Идентификация периодических электрофизиологических сигналов". М. 2000.

59. Еськов В.М. Возможно ли построение некоторой общей, фундаментальной теории организации и функционирования биосистем?// Вестник новых медицинских технологий. 2001. т. VIII. № 2. С. 93 -95.

60. Еськов В.М., Бондарева В.В., Кулаев C.B. Обработка нейрофизиологической информации с использованием метода минимальной реализации и ЭВМ // Вестник новых медицинских технологий. 2002. т. IX. № 3. С. 11-15.

61. Еськов В.М., Бондарева В.В., Попов Ю.М. Исследование переходных процессов в респираторных нейронных сетях в условиях действия ГАМК и ее производных // Вестник новых медицинских технологий. 2002. т. IX. № 3. С. 7-8.

62. Еськов В.М., Брагинский М.Я., Климов О.В. К вопросу о произвольном в непроизвольном микродвижении конечности человека (треморе) // Вестник новых медицинских технологий. 2002. т. IX. № 3. С. 24 26.

63. Еськов В.М. Компартментно кластерный подход в исследованиях биологических динамических систем (БДС). / Монография. - Часть I. Межклеточные взаимодействия в нейрогенераторных и биомеханических кластерах. - Самара: Изд-во «НТЦ», 2003. - 198 с.

64. Еськов В.М., Филатова O.E. Экологические факторы Ханты-Мансийского автономного округа. / Часть I Самара: ООО "Офорт", 2004. (гриф РАН).-182 с.

65. Еськов В.М., Филатова O.E., Карпин В.А. и др. Экологические факторы Ханты-Мансийского автономного округа. / Часть II. Безопасность жизнедеятельности человека на севере РФ. Самара: "Офорт", 2004. (гриф РАН). - 172 с.

66. Еськов В.М., Филатова O.E., Фудин H.A. и др. Проблема выбора оптимальных математических моделей в теории идентификации биологических динамических систем. // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2004. - Том 3., № 2. - С. 143-145.

67. Еськов В. М., Филатова О. Е., Фудин H.A. и др. Явление изменения параметров стационарных режимов функционирования биологических динамических систем. Открытие № 285. // Научные открытия. Сборник кратких описаний. Вып.2. М., 2005. С. 32 - 34.

68. Еськов В.М. Живогляд Р.Н., Папшев В.А. и др. Системный анализ и компьютерная идентификация синергизма в биологических динамических системах. // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2005. -№ 1,- С. 108-111.

69. Еськов В.M. Методы измерения интервалов устойчивости биологических динамических систем и их сравнение с классическим математическим подходом в теории устойчивости динамических систем. // Метрология. -2005. №2.- С. 24-37.

70. Еськов В.М., Живогляд Р.Н., Карташова Н.М. и др. Понятие нормы и патологии в фазовом пространстве состояний с позиции компартментно-кластерного подхода. // Вестник новых медицинских технологий. 2005,Т. XII, №.1. - С. 12- 14.

71. Еськов В.М., Папшев В.А., Кулаев C.B. и др. Программа расчета коэффициента синергизма в биологических динамических системах с хаотической организацией. // Свидетельство об официальной регистрации для ЭВМ № 2005612885. Москва. 2005.

72. Заславский Б.Г., Полуэктов P.A. Управление в экологических системах. М.: Наука. 1988. 360с.

73. Иваницкий Г.Р., Кринский В.И., Морнев O.A. Автоволны: Новое на перекрестках наук. // Кибернетика живого. М.: Наука, 1984. - С. 24 - 37.

74. Казначеев В.П., Казначеев C.B. Адаптация и конституция человека.-Новосибирск: Наука, 1986. 140 с.

75. Кедер-Степанова И.А., Четаев А.Н. Некоторые вопросы моделирования дыхательного центра. 1. Постановка вопроса // Биофизика. 1978. Т. 23. №6. С. 1076-1080.

76. Кедер-Степанова H.A., Четаев А.Н. О структуре системы дыхательных нейронов продолговатого мозга // Там же. 1970. Т. 193. №6. С. 1433-1436.

77. Клюева Н.З., Панин А.И. Математическая модель механизма дыхательного ритмогенеза // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова. 1983. Т. 69. №47. С. 433-438.

78. Лихтенберг А., Либерман М. Регулярная и стохастическая динамика. М.: Мир, 1984.

79. Коган А.Б., Ефимов В.Н., Чумаченко A.A., Сафонов В.А. О моделировании механизма генерации дыхательного ритма // Биофизика. 1969. Т. 14. №4. С. 718-721.

80. Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Нелинейная динамика и проблемы прогноза. // Вестник РАН. 2001. - Т 71, №3. - С. 210-224.

81. Лефшец С. Устойчивость нелинейных систем автоматического управления. М.: Мир, 1967. 220 с.

82. Маергойз Л.С. Релаксационные характеристики гомеостатических процессов // Молекулярно-клеточные механизмы иммунной регуляции гомеостаза и проблемы математического моделирования. Красноярск, 1990. С. 138-139.

83. Малинецкий Г.Г. Хаос. Структуры. Вычислительный эксперимент: Введение в нелинейную динамику М.: Эдиториал УРСС, 2000. 256 с.

84. Малинецкий Г.Г. Наука XXI века. Взгляд с позиций синергетики. // Труды семинара Синергетика. 2003. - Т.5, - С. 57-71.

85. Малинецкий Г.Г. Синергетика. Король умер. Да здравствует король! // Синергетика. Труды семинара. Вып. 1. -М.: МГУ, 1998. С. 52-69.

86. Малинецкий Г.Г., Митин H.A., Науменко С.А. Вычисления на ДНК. Эксперименты. Модели. Алгоритмы. Инструментальные средства. Препринт ИПМ РАН № 57.-2005.-68c.

87. Малинецкий Г.Г., Митин H.A., Науменко С.А. Нанобиология и синергетика. Проблемы и идеи. Препринт ИПМ РАН № 29. 2005.- 85 с.

88. Малинецкий Г.Г., Подлазов A.B., Зульпукаров М.-Г.М. Обратная задача теории бифуркаций в динамических системах с шумом. Препринт ИПМ РАН № 39. 2005.-56с.

89. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Нелинейная динамика и хаос. Основные понятия. М. УРСС, 2006.- 237 с.

90. Малкин В.Б. Газенко О.Г. О путях оптимизации искусственной атмосферы при необратимом снижении Р02 в газовой среде // Докл. АН СССР. 1968. Т. 184. №4. С. 995-998.

91. Малкин И.Г. Об одном способе решения задачи устойчивости в критическом случае пары чисто мнимых корней. // ПММ. 1951. Том. 15. №4. С. 473-484.

92. Миславский H.A. О дыхательном центре. М.: Медгиз, 1952. - 210 с.

93. Моисеев Н.И. Экология человечества глазами математика (Человек, природа и будущее цивилизации).- М.: Молодая гвардия, 1988.-188 с.

94. Некрасова В.М., Сафонов В.А. Синхронизация активности ритмообразующих нейронов в дыхательном центре. // Биологические науки. 1986. № 3. С. 42-45

95. ЮЗ.Нерсесян Л.Б. Центральные механизмы регуляции активности бульбарных дыхательных нейронов некоторыми структурами лимбической системы. // Материалы 6-й Всесоюз. конф. по физиологии вегетативной нервной системы. 1986. Ереван. 1986.С.221.

96. Нерсесян Л.Б., Баклаваджян О.Г. Реакции дыхательных нейронов продолговатого мозга на пачечную стимуляцию гипоталамуса //Физиол. журн. СССР им. И.М.Сеченова. 1990. Том. 76. № 5. С. 604-611

97. Нерсесян Л.Б. Центральные механизмы регуляции активности бульбарных дыхательных нейронов некоторыми структурами лимбической системы //Материалы 6-й Всесоюз. конф. по физиологии вегетативной нервной системы. 1986: Ереван.

98. Олейникова М.М., Хадарцев A.A. Теория и практика восстановительной медицины: Монография / Олейникова М.М., Хадарцев A.A. Тула: Тульский полиграфист - Москва, (гриф РАМН), 2005. - Т. 4. - 284 с.

99. Плисс В.А. Нелокальные проблемы теории колебаний. М.Л.: Наука, 1964.367 с.

100. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1983. - 392 с.

101. Сафонов В.А.,Ефимов В.Н., Чумаченко A.A. Нейрофизиология дыхания.-М,1980.- 224 с.

102. Сергиевский М.В., Киреева Н., Гордиевская H.A. О возможных путях взаимодействия инспираторной и экспираторной нейронных систем //Физиол. журн. СССР им. И.М.Сеченова. 1983. Том. 69. № 4. С. 439.

103. Ш.Сеченов И. М. Рефлексы головного мозга.// В сб.: Физиология нервной системы. Т. 1. М., 1952. - 315 с.

104. Сливинскис В., Шимоните В. Минимальная реализация и формантный анализ динамических систем и сигналов. Вильнюс.: Мошлас, 1990. -230 с.

105. Смолянинов В.В. От инвариантов геометрий к инвариантам управления. // Интеллектуальные процессы и их моделирование. М., Наука, 1987. С. 66110.

106. Смолянинов В.В. Структура, функция, управление системно-конструктивный подход. // Биологические мембраны. - Т.41, № 6, 1997. -С. 574-583.

107. Стингере Е., Пригожин И. Познание сложного. Изд-во УРСС, М.: 2003. -342 с.

108. Судаков К.В. и др. Теория системогенеза. Монография. Москва. 1997. РАМН. 567 с.

109. ФадеевД.К., ФадееваВ.Н. Вычислительные методы линейной алгебры.М.: Физматгиз, 1960. С. 198-199.

110. Сергиевский М.В., Киреева Н., Гордиевская H.A. О возможных путях взаимодействия инспираторной и экспираторной нейронных систем. //Физиол. журн. СССР им. И.М.Сеченова. 1983. Том. 69. № 4. - С. 439

111. Филатова O.E., Еськов В.М., Зуевская Т.В. Норма и патология состояния функциональных систем человека на фазовой плоскости. // Научные труды I съезда физиологов СНГ. -М.: Медицина, 2005. С. 41.

112. Фудин H.A. Физиологическая целесообразность произвольной регуляции дыхания у спортсменов. // Теор. и практ. физ. культуры,- 1983.- № 2,- С.21.25.

113. Хакен Г. Принципы работы головного мозга. М.: Изд-во PerSe., 2001.352 с.

114. Цыпкин 3. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.- 390 с.

115. Честнова А.А., Четаев А.Н. Круговая модель дыхательного центра с окнами. //Биофизика. 1979. Том. 24. № 4. С. 727-732

116. Честнова А.А., Четаев А.Н. Круговая модель дыхательного центра. //Биофизика. 1979. Том. 24. № 4. С. 723-726

117. Якунин В.Е. Нисходящие пути медиальных ядер дыхательного центра к дыхательным мышцам. //Физиол. журн. СССР им. И.М.Сеченова. 1990. Том. 76. № 5. С. 613-620

118. Якунин В.Е., Майский Н.Н., Преображенский А.П. и др. Изучение связей дыхательных ядер ствола мозга с использованием метода ретроградного аксонного транспорта пероксидазы хрена // Нейрофизиология. 1982.Т.14. №2. С.147-156.

119. Яшин А. А., Хадарцев А.А., Субботина Т.И. и др. Введение в электродинамику живых систем: Монография Тула: ТулГУ, ГУП НИИ НМТ. 2003.-440 с.

120. Adey R.W. Developments forwards a physical biology // Modern Radio Sci. / Ad. by Andersen J.B. / Oxford: Univ. / Press, 1993. P. 228 - 244.

121. Alexander D.M. Digital simulation of human respiratory control and acid-base balance // PhD thesis case Inst, of Technology, Cleveland, Ohio, 1968.

122. Ballantyne D., Richter D.W. Post-synaptic inhibition of bulbar inspiratory neurounes in the cat // J. Physiolgy. 1984. - Vol. 348. - P. 67-87.

123. Ballantyne D., Richter D.W. The non-uniform character of expiratory synaptic activity in expiratory bulbospinal neurones in the cat // J. Physiol. (L.). 1986. Vol.370. - P. 433-456.

124. Batsel H.L. Localization of the bulbar respiratory centre by microelectrode sounding // Exptl. Neurol. 1964. - Vol. 9. - P. 410-426.

125. Berger A.J., Herbert D.A., Mitchell R.A. Propertis of apneusis produced by reversible cold block of the rostral response. // Respir. Physiol. 1978. - Vol. 33. - P. 323-337.

126. Bertrand F., Hugelin A., Vibert J.F. A stereologic model of pneumotaxic oscillator based on spatial and temporal distribution of neuronal bursts // J. Neurophysiol. 1974. - Vol. 37. - P. 91-107.

127. Beurle R.L. Properties of a mass of cells capable of regenerating pulses. // Philosoph. Trans, of the Royal Soc. of L. ser. B. Biol. sci. 1956. Vol. 240., N 669. - P. 56-90

128. Billings S.A., Jamaluddin H.B., Chen S. Properties of neural netwoks with application to modelling non-linear dynamical systems // Int. J. Control. 1992. Vol. 55., N 1. - P. 193-224.

129. Botros S.M., Bruce E.N. Neural network implementation of a three-phase model of respiratory rhythm generation. //Biol. Cybernetics. 1990. - Vol. 63., N 2. - P. 143-153

130. Brammer R.F. Controllability in linear autonomous systems with positive controllers. // SIAM J.Control. 1972. - Vol. 10. - P. 339-353

131. Breuer J. Die selbsts teuerung der atmung bureh den nervus vagus // Sitzungsber. Akad. Wiss Wien. 1868. Bd 58, Abt. 2. S. 909-937.

132. Kalman R.E. On minimal partial realization of linear input/output map // Aspects of Network and System Theory. 1971, Kalman R.E. and Claris N.D., Holt, Rinehart and Winston: New York. pp. 385-407

133. Bruce E.N., von Euler C., Yamashiro S.M. Reflex and central chemoreceptive control of the time course of inspiratory activity, Central nervous control mechanism in breathing. 1979. - Pergamon: Oxford. - P. 177-184

134. Burns B.D., Salmoiraghi G.C. Repetitive firing of resperatory neurones during their burst activity // Ibid. 1960. - Vol. 23, N 1. - P. 27-46.

135. Cherniack N.S., Euler C., Homma I., Kao F.F. Graded changes in central chemoceptor input by local temperature changes on the ventral supface of medulla // J. Physiol. 1979. - Vol. 287. - P. 191 -211.

136. Cohen M.J. Neurogenesis of respiratory rhythm in the mamal. //Physiology Rev.- 1979. Vol. 59. - P. 1105-1173

137. Cohen M.J., Feldman J.L. Models of respiratory phase-switching // Febr. Proc. -1977. Vol. 36. - P. 2367-2374.

138. Czyzyk-Krzeska Maria F., Lawson Edward E. Synaptic events in ventral respiratory neurones during apnoea induced by laryngeal nerve stimylation in neonatal pig//J. Physiol. -1991,- Vol. 436. P. 131-147.

139. Duffin J. A., Aweida D. The propriobulbar respiratory neurones in the cat // Exp. Brain Res. 1990. - Vol. 81, N 2. - P. 213-220.

140. Dunin-Barkowski W.L., Larionova N.P. Computer simulation of the cerebellar cortex compartment. I. General principles and properties of a neural net. //Biol. Cybernetics. 1985. - Vol. 51., N 6. - P. 399-406.

141. Dwyer P.S., Waugh F.V. On errors in matrix inversion // J. Amer. Statest. Assoc. 1953. - Vol. 48, N262. - P. 289-319.

142. Ellenberger H.H., Feldman I.L. Subnuclear organization of the lateral termental field of the rat: I. Necleus ambiguus and ventral respiratory group // J. Comp. Neural. 1990. - Vol. 294, N2. - P. 202-211.

143. Eskov V.M. Indirect control by dissipation factor in respiratory neuron networks // Neural Network World. 1994. - № 6. - P. 655 - 662.

144. Eskov V.M., Filatova O.E. Computer diagnostics of the compartmentation of dynamic systems // Measurement Techniques. 1994. - Vol. 37. No 1. - P. 114- 119.

145. Eskov V.M. Hierarchical respiratory neuron networks // Modeling, Measurement & Control. C. AMSE Press. 48. 2. 1995. - P. 47 - 63.

146. Eskov V.M. Indirect control by chemoreceptor drive in respiratory neuron networks // Modelling, Measurement & Control. C. AMSE Press. 48. 3. 1995.- P. 1 12.

147. Eskov, V.M., Filatova, O.E. The problem of identity of functional states of neuron networks. // Biophysics. 2003. - Vol. 48. - P. 526-534.

148. Eskov V.M. Compartmental principle in mathematical modeling of various neural ntworks // International Congress. Destobio: Sofia. 1997. - P. 117.

149. Eskov V.M., Filatova O.E., Kulaev S.V. Automatic identification the models of respiratory neuron networks with a simple structure // International Congress, Destobio: Sofia. 1997. - P. 118 - 119.

150. Eskov V.M., Filatova O.E. Compartmental Approach to Modeling of Neural Networks: Role of Inhibitory and Excitatory Processes // Biophysics, Vol. 44. No. 3. 1999. -P. 510-517.

151. Eskov V.M., Rachkovskaya V.A. Migration as a factor of cyclic epidemic process//AMSE press. 2003. No 1. P. 115 - 117.

152. Ogilvie M.D., Gottschalk A., Anders K., Richter D.W., Pack A.I. A network model of respiratory rhythmogenesis. //Am J Physiol. 1992. Vol. 263. N 4. - p. 962-975

153. Eskov V.M., Kulaev S.V., Popov U.M. Identification of stationary and unstationary regimes of respiratory neuron with computer using. // Proceeding of international conference on modeling and simulation. (Minsk, Belarus). 2004.- P.62-65.

154. Eskov V.M., Papshev V.A., Tretiakov S.A. and other. The synergetic property of mamalian muscles under different conditions. // Proceedings of (Astes de) MS'2004, (Lyon Villeurbanne). - 2004. - P. 14.4-14.6.

155. Eskov V.M., Rachkovskaya V.A. The influence of migration on epidemic process. // Proceeding of international conference on modeling and simulation. (Minsk, Belarus). 2004. - P. 70-72.

156. Eskov V.M., Kulaev S.V., Pashnin A.S. and other. Identification of synergetic property of biological dynamic system (BDS). // Proceeding of international Biophysics Congress. (Montpelier France). - 2005. - P. 78-80.

157. Eskov V.M., Zuevskaya T.V., Dobrinina I.U. and other. Theory of fazaton brain and method of identification of its models. // Proceeding of international Biophysics Congress (Montpelier France). - 2005. - P. 84-86.

158. Euler C. von. Rhythmogenesis and pattern control during breathing // Acta physiol. Scand. 1985. - Suppl., N542. - P. 32-60.

159. Friedland S. On an inverse problem for nonnegative and eventually nonnegative matrices // Israel J. Math. 1978. - Vol. 29. - P. 43-60.

160. Fedorko L., Merrill E.G. Axonal projections from the rostral expiratory neurones of the Botzinger complex to medulla and spinal cord in the cat // Ibid. 1984. Vol. 350,-P. 487-496.

161. Feldman L.J., Cohen M.J., Wolotsky P. Powerful inhibition of pontine respiratory neurons by pulmonary afferent activity // Brain Res. 1976. - Vol. 104. - P. 341-346.

162. Feldman L.J., Speck D.F. Interactions among inspiratory neurones in the dorsal and ventral respiratory groups in cat medulla // J. Neurophysiol. 1983. - Vol. 49. - P. 472-490

163. Filatova O.E., Eskov V.M., Eskov V.V. and other. Existense of synergetic properties of neuron network regulating the pulse rate. // Proseeding of international conference on modellling&simulation (ICMS'04). (Spain, Valladolid) 2004. - P.57 - 58.

164. Gantmaher F.R. The theory of matrices (K.A. Hirsh transl) // Chelsea, N.Y. 1971.

165. Geman S., Miller M. Computer simulation of brainstem respiratory activity // J. Appl. Rhysiology. 1976. Vol. 41. - P. 931-938.

Информация о работе

Третьяков, Сергей Анатольевич
кандидата физико-математических наук
Сургут, 2012
ВАК 03.01.02

Диссертация

Исследования стационарных режимов в нейросетевых системах - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы